实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置第十二章交变电流电磁振荡1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻等敏感元件的特性和应用。2.学会传感器的简单使用并会制作简单的自动控制装置。学习目标CONTENTS夯实必备知识研透核心考点提升素养能力目录单击此处添加标题单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点单击此处添加标题单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点21夯实必备知识01一、五种敏感元件的作用和特点敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大二、实验过程1.研究热敏电阻的热敏特性(1)将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值(如图1甲所示)。图1(2)准备好记录电阻与温度关系的表格(如下表)。次数待测量123456温度/℃

电阻/Ω

(3)改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中，把记录的数据画在R－t图中，得图像如图乙所示。2.研究光敏电阻的光敏特性(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图2所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡。图2(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。(3)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并记录。(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录。把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。光照强度弱中强无光照射阻值/Ω

结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强时电阻变小，光照减弱时电阻变大。三、误差分析1.温度计读数带来误差。2.多用电表读数带来误差。3.作R－t图像时的不规范易造成误差。四、注意事项1.在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。2.光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。3.欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零。考点一用温度传感器设计控制电路研透核心考点考点二用光传感器设计控制电路02例1

现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，当温度为60℃时阻值为650.0Ω。考点一用温度传感器设计控制电路(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。图3解析电路图连线如图所示。答案见解析图(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。答案

R2

(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_________________________________________________________。②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_____________________________________________________________________。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。解析①电阻箱的电阻值应调为热敏电阻在60℃时的阻值，即650.0Ω。滑动变阻器的滑片应置于b端，使开关接通后回路中电流最小，以保护报警器，即防止因过载而损坏报警器。②应将开关向c端闭合，调节滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警。答案

①650.0

b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警1.某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图4甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中给继电器供电的电源电压U1＝4V，内阻不计，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为30Ω。当线圈中的电流大于等于40mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。甲乙图4(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱________相连，指示灯的接线柱D应与接线柱________相连(均选填“A”或“B”)。(2)当环境温度升高时，继电器的磁性将________(选填“增大”“减小”或“不变”)，当环境温度达到________℃时，警铃报警。(3)如果要使报警电路在更高的温度报警，下列方案可行的是________。A.适当减小U1 B.适当增大U1C.适当减小U2 D.适当增大U2甲乙答案(1)B

A

(2)增大40

(3)A解析(1)由于B接通时警铃响，A接通时指示灯亮，因此C接B，D接A。(2)由于该热敏电阻随温度升高，阻值减小，回路的电流增大，因此继电器的磁性增强。当电流等于40mA时，回路的总电阻甲乙而继电器电阻R0为30Ω，因此当热敏电阻等于70Ω时，由题图乙可知对应温度为40℃时，警铃报警。(3)温度更高时，热敏电阻值更小，而报警电流为40mA不变，因此应适当降低U1值，因此A正确。例2

为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值R随光的照度I变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)。 (1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图5甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系。

答：________(填“是”或“否”)。考点二用光传感器设计控制电路甲照度I/lx0.20.40.60.81.01.2阻值R/kΩ5.83.72.72.32.01.8解析如图所示若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中的点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系。答案见解析图否(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(填“AB”或“CD”)之间。乙图5解析由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，AB间断开，CD间接通，故路灯应接在AB间。答案AB

(3)已知线圈的电阻为140Ω，直流电源E的电动势E＝36V，内阻忽略不计。当线圈中的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R′的阻值应调为________Ω时，才能使天色渐暗照度低于1.0lx时点亮路灯。此时光敏电阻的阻值为R＝2000Ω，则滑动变阻器R′的阻值应调为R′＝R总－R－R线＝3600Ω－2000Ω－140Ω＝1460Ω。答案1460

(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R′的阻值应适当调________些(选填“大”或“小”)。解析使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，说明在天色更亮时电路电流就降到了10mA，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色更亮时电路电流大于10mA，应使电路的总电阻适当减小，故应将变阻器R′的阻值应适当调小些。答案小2.光敏电阻广泛的应用于光控制电路中，物理探究小组设计了图6甲所示的电路测量不同照度下的光敏电阻的阻值，照度单位为(lx)。小组成员先将照射光敏电阻的光调至某一照度，将电阻箱阻值调到最大，先闭合开关S1，再将开关S2与1连接，调节电阻箱的阻值如图乙所示时，此时通过电流表

的电流为I，然后将开关S2与2连接，当调节电阻箱的阻值如图丙所示时，电流表的示数恰好也为I。图6(1)图乙的读数______Ω，图丙的读数______Ω，此照度下光敏电阻的阻值R0＝________Ω。(2)图丁是该小组描绘出的光敏电阻的阻值随照度变化的关系图像，由图丁可知(1)中的光照度为________lx(保留2位有效数字)。(3)此光敏电阻随光照强度的减小而________(填“增大”“不变”或“减小”)。(4)小组设计了如图戊所示的电路控制路灯，图戊中R0为此实验的光敏电阻，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。当光照强度小到某一值时，衔铁就会被吸下，交流电路接通，当光照强度达到某一值时，衔铁就会被弹簧拉起，交流电路就会断开，路灯熄灭，请在图戊中原有电路的基础上用笔画线连接电路实现这一功能。答案

(1)2320

1120

1200

(2)1.0

(3)增大(4)图见解析解析(1)根据图乙、丙电阻箱各旋钮的示数，可知读数为R1＝2320Ω，R2＝1120Ω；根据题意可知，开关与1连接和与2连接时电流表的示数都为I，根据闭合电路欧姆定律可知两种情况下电路中电阻大小相等，所以R0＝R1－R2＝2320Ω－1120Ω＝1200Ω。(2)根据R0的阻值，结合图像可知(1)中的光照度为1.0lx。(3)根据图线可知，此光敏电阻随光照强度的减小而增大。(4)将线圈与光敏电阻并联，然后与滑动变阻器以及电源串联，这样当光照强度减小时，光敏电阻的阻值增大，并联部分的分压变大，线圈中的电流增大，螺线管的磁性变强，将衔铁吸下，路灯接通；当光照强度增大时，光敏电阻阻值变小，并联部分分压变小，线圈中的电流减小，螺线管的磁性变弱，衔铁弹起，路灯熄灭。提升素养能力01A1.在如图1所示的电路中，当用半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明(

)A.在温度越高时，热敏电阻阻值越小B.在温度越高时，热敏电阻阻值越大C.半导体材料温度升高时，导电性能变差D.半导体材料温度升高时，导电性能不变

解析由电流表的变化判断半导体的电阻的变化，温度升高时，电路中总电流增大，由闭合电路欧姆定律可知，总电阻减小，则温度升高，热敏电阻阻值减小，半导体材料导电性能变好，故A正确。图1C2.如图2是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。R是光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是(

)A.该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大B.增加电源电动势可以增加路灯照明时间C.增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间D.并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间图2解析日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，控制电路中电阻变小，电流变大，衔铁被吸下，则当日光充足时光敏电阻R阻值减小，故A错误；电动势增大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B错误；增大保护电阻R0，电流减小，延长了照明时间，故C正确；LED灯的盏数不影响控制电路，考虑蓄电池容量一定，可能减少照明时间，故D错误。3.某同学用热敏电阻制作高温报警器。实验器材如下，热敏电阻Rt、电磁继电器、蜂鸣器、小灯泡(额定电压2.5V)、保护电阻r(阻值5Ω)、变阻箱R(0～9999.9Ω)、电池组两组(内阻不计)、多用电表(有温度挡)、铁架台、烧杯、开关及导线若干。图3(1)如图3所示是该热敏电阻的Rt－t曲线，由图像可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而______________(选填“减小”“不变”或“增大”)。(2)如图4是某同学设计的高温报警器电路图，左边部分是控制电路，右边部分是报警装置，实验发现控制电路不工作，合上开关S，用多用电表排查电路故障，则应将如图5所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)，若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时多用电表的指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入热敏电阻两端时多用电表的指针__________(选填“偏转”或“不偏转”)。图4图5(3)根据电磁继电器的技术数据，当热敏电阻Rt达到设定温度时，电磁继电器应自动吸合，报警装置报警。已知控制电路电池组电动势为6V，实测电磁继电器正常吸合时的电流为37.6mA～40.2mA，继电器内阻为61.0Ω，如果设置报警温度为55℃，至少应将变阻箱的电阻R调节到________Ω。想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，需要________(选填“增大”“减小”或“不变”)变阻箱的电阻。答案(1)减小(2)C偏转不偏转(3)56.3减小解析(1)由题图可以得到热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(2)合上开关S，应用多用电表的直流电压挡去排查电路故障，故应将选择开关旋至C。若只有继电器线圈断路，则应发现表笔接入继电器线圈两端时，多用电表电压接近电源电动势，多用电表的指针偏转；若只有继电器线圈断路，表笔接入热敏电阻两端时，由于继电器线圈断路，回路中没有电流，热敏电阻两端电压为零，多用电表的指针不偏转。(3)如果设置报警温度为55℃，由图像可知该温度对应的热敏电阻阻值为Rt＝32Ω想要让热敏电阻在高温报警中更加“敏感”(即温度不是太高就报警)，说明报警时热敏电阻的阻值比原来大，故为了使电流达到电磁继电器正常吸合时的电流，需要减小变阻箱的电阻。4.利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑夜打开。某同学利用如下器材制作了一个简易的路灯自动控制装置。A.励磁线圈电源E1

B.路灯电源E2C.路灯灯泡L D.定值电阻R0E.光敏电阻R1

F.电磁开关G.导线、开关等丙图6丙(1)电磁开关的内部结构如图6甲所示。1、2两接线柱接励磁线圈(电磁铁上绕的线圈)，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接，相当于路灯的开关。当流过励磁线圈的电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开，路灯熄灭。该同学首先用多用电表的欧姆挡测量励磁线圈的电阻，将选择开关置于“×1”挡，调零后测量时的示数如图丙所示，则励磁线圈的电阻约为________Ω。(2)图乙为光敏电阻的阻值随照度的变化关系(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，单位为lx)。从图中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而________(选填“减小”“不变”或“增大”)。丙(3)如图7所示，请你用笔画线代替导线，将该同学设计的自动控制电路补充完整。图7(4)已知励磁线圈电源E1＝6.0V(内阻不计)，定值电阻R0＝60Ω。若设计要求当流过励磁线圈的电流为0.05A时点亮路灯，则此时的照度约为________lx。丙答案(1)20

(2)减小(3)图见解析(4)0.4解析(1)由多用电表欧姆挡的读数规则可知，励磁线圈的电阻约为r＝20Ω。(2)从图乙中可以看出，光敏电阻的阻值随照度的增大而逐渐减小。(3)自动控制电路图如图所示。丙(4)当控制电路中的电流为0.05A时，控制电路的总电阻为因定值电阻R0＝60Ω，励磁线圈的电阻r＝20Ω，故此时光敏电阻的阻值应为R1＝R－R0－r＝40Ω由图乙可知此